先进的加工设备和高性能切削工具可以充分利用其应有的性能,并取得良好的经济效益。随着工具材料的飞速发展,各种新型工具材料的物理,机械性能和切削性能得到了极大的提高,其应用范围也在不断扩大。今天,我们将集中于如何正确选择切削刀具材料。

工具材料应具有基本性能

刀具材料的选择对刀具寿命,加工效率,加工质量和加工成本有很大影响。切割时,刀具必须承受高压,高温,摩擦,冲击和振动。因此,工具材料应具有以下基本属性:

(1)硬度和耐磨性。工具材料的硬度必须高于工件材料的硬度,通常要求高于60HRC。工具材料的硬度越高,耐磨性越好。

(2)强韧性。工具材料应具有高强度和韧性,以承受切削力,冲击和振动,并防止工具的脆性断裂和碎裂。

(3)耐热性。该工具材料具有良好的耐热性,可以承受较高的切削温度,并且具有良好的抗氧化性。

(4)过程性能和经济性。工具材料应具有良好的锻造性能,热处理性能,焊接性能,磨削性能等,并追求高性能和高性价比。

金刚石工具材料

金刚石工具材料的类型,特性和特征以及工具应用

钻石是碳的异构体,是自然界中发现的最坚硬的材料。金刚石工具具有高硬度,高耐磨性和高导热性,并且广泛用于有色金属和非金属材料的加工中。特别是在铝和硅铝合金的高速加工中,金刚石工具很难替代主要类型的切削工具。可以实现高效率,高稳定性和长寿命加工的金刚石工具是现代CNC加工中必不可少的工具。

  • 金刚石工具的类型
  • 天然钻石切割器:天然钻石已被用作切割工具已有数百年历史了。天然单晶金刚石切割机已被精细研磨,并且边缘可以锐化。切削刃半径可达到0.002μm,可实现超薄切削。公认的工件极高的精度和极低的表面粗糙度是理想且不可替代的超精密加工工具。
  • PCD金刚石工具:天然金刚石价格昂贵,金刚石广泛用于切割或多晶金刚石(PCD)。自1970年代初以来,经过高温高压合成技术成功地开发了多晶金刚石(Polycrystauinediamond,PCD刀片)。在许多情况下,天然金刚石工具已被合成多晶金刚石取代。 PCD原材料丰富,价格仅为天然钻石价格的十分之一到十分之一。

PCD刀具无法磨削极其锋利的边缘,并且加工后的工件的表面质量不如天然金刚石。在行业中用断屑槽制造PCD刀片并不容易。因此,PCD仅可用于有色金属和非金属的精细切割,并且难以实现超精密镜面切割。

  • CVD金刚石工具:自1970年代末至1980年代初,CVD金刚石技术在日本出现。 CVD金刚石是指通过化学气相沉积(CVD)在异质基材(例如硬质合金,陶瓷等)上合成金刚石膜的方法。 CVD金刚石具有与天然金刚石完全相同的结构和特性。

CVD金刚石的性能非常接近天然金刚石,并且具有天然单晶金刚石和多晶金刚石(PCD)的优点,并在一定程度上克服了它们的缺点。

(2)金刚石工具的性能特点:

  • 极高的硬度和耐磨性:天然钻石是自然界中发现的最硬的物质。金刚石具有很高的耐磨性。在加工高硬度材料时,金刚石刀具的寿命是硬质合金刀具的10到100倍,甚至数百倍。
  • 摩擦系数非常低:金刚石与某些有色金属之间的摩擦系数比其他工具低,摩擦系数低,加工过程中的变形小,可降低切削力。
  • 切削刃非常锋利:金刚石刀具的切削刃可以锐化,天然的单晶金刚石刀具可以高达0.002〜0.008μm,用于超薄切削和超精密加工。
  • 它具有很高的导热系数:金刚石具有很高的导热系数和热扩散系数,切削热量易于散发,刀具的切削温度低。
  • 热膨胀系数低:金刚石的热膨胀系数比硬质合金小几倍,切削热引起的刀具尺寸变化小,这对于高尺寸的精密和超精密加工尤为重要准确性。

(3)金刚石工具的应用。

金刚石工具用于对非铁和非金属材料进行高速精加工和镗孔。适用于加工各种耐磨非金属,如玻璃钢粉末冶金毛坯,陶瓷材料等;各种耐磨有色金属,如各种硅铝合金;各种有色金属精加工。

金刚石刀具的缺点是热稳定性差。当切削温度超过700℃〜800℃时,将完全失去硬度;另外,它不适合切削黑色金属,因为金刚石(碳)在高温下容易铁化。原子的作用是将碳原子转化为石墨结构,并且刀具非常脆弱。

立方氮化硼工具材料

通过类似于金刚石制造方法的方法合成的第二种超硬材料立方氮化硼(CBN)在硬度和导热率方面仅次于金刚石,并且具有出色的热稳定性。在大气中将其加热到10,000C。没有氧化发生。 CBN对黑色金属具有极其稳定的化学性质,可广泛用于钢铁产品的加工中。

(1)立方氮化硼工具的类型

立方氮化硼(CBN)是自然界中不存在的物质。它具有单晶和多晶,即CBN单晶和多晶立方氮化硼(PCBN)。 CBN是氮化硼(BN)的异构体之一,其结构与金刚石相似。

PCBN(多晶立方氮化硼)是一种多晶材料,其中精细的CBN材料在高温和高压下通过键合相(TiC,TiN,Al,Ti等)烧结在一起。金刚石工具材料,统称为超硬工具材料。 PCBN主要用于制造工具或其他工具。

PCBN工具可分为整体式PCBN刀片和用硬质合金烧结的PCBN复合刀片。

PCBN复合刀片是通过在硬质合金上烧结厚度为O.5〜1.0mm的PCBN层制成的,具有良好的强度和韧性。其性能具有良好的韧性,高硬度和耐磨性。解决了CBN刀片弯曲强度低,焊接困难的问题。

(2)立方氮化硼的主要性能和特点

尽管立方氮化硼的硬度略低于金刚石,但远高于其他高硬度材料。 CBN的突出优点是热稳定性比金刚石高得多,最高可达1200°C(金刚石为300-800°C)。另一个突出的优点是它是化学惰性的,并且在1200-1300°C时不会与铁发生化学反应。反应。立方氮化硼的主要性能特征如下。

  • a高硬度和耐磨性:CBN晶体结构类似于金刚石,并且具有与金刚石相似的硬度和强度。 PCBN特别适用于处理只能先磨削的高硬度材料,并且可以获得更好的工件表面质量。
  • 具有非常高的热稳定性:CBN的耐热性可以达到1400〜1500°C,几乎比金刚石的耐热性(700〜800°C)高出l倍。 PCBN工具可以高速切割高温合金和淬硬钢,速度是硬质合金工具的3至5倍。
  • 出色的化学稳定性:在高达1200-1300°C的铁基材料中,它不发挥化学作用。它不会像钻石那样急剧磨损。此时,它仍然可以保持硬质合金的硬度。 PCBN刀具适用于切削淬硬钢。零件和冷硬铸铁,用于高速切割铸铁。
  • 具有良好的导热性:尽管CBN的导热性无法跟上金刚石,但各种工具材料中PCBN的导热性仅次于金刚石,远高于高速钢和硬质合金。
  • 摩擦系数低:摩擦系数低会导致切削过程中的切削力降低,切削温度降低并改善表面质量。

(3)立方氮化硼工具的应用:

立方氮化硼适用于精加工难以切削的材料,例如淬硬钢,铸铁,高温合金,硬质合金和表面喷涂材料。加工精度可达IT5(孔为IT6),表面粗糙度值可小至Ra1.25〜0.20μm。

立方氮化硼工具材料的韧性和弯曲强度差。因此,立方氮化硼车刀不适合低速大冲击负荷的粗加工。同时,它不适用于切割塑料材料(例如铝合金,铜合金,镍基合金,塑料大型钢等),因为切割这些金属会导致严重的积屑瘤并降低加工质量表面。

陶瓷工具材料

陶瓷刀具有高硬度,良好的耐磨性,优异的耐热性和化学稳定性的特征,并且不容易与金属结合。陶瓷工具在CNC加工中起着重要作用。陶瓷工具已成为用于高速切割和难加工材料的主要工具之一。陶瓷工具广泛用于高速切削,干切削,硬切削以及难加工材料的加工。陶瓷工具可以有效地处理传统工具根本无法处理的高硬度材料,并实现“车磨”。陶瓷刀具的最佳切削速度可以比硬质合金刀具高2〜10倍,极大地提高了切削加工效率。陶瓷工具材料中使用的主要原材料是地壳中含量最高的元素。因此,陶瓷工具的推广应用对提高生产率,降低加工成本,节约战略性贵金属具有重要意义。这也将大大促进切割技术的发展。进展。

(1)陶瓷工具材料的种类

陶瓷工具材料的类型通常可分为三类:氧化铝基陶瓷,氮化硅基陶瓷和氮化硅-氧化铝复合陶瓷。其中,氧化铝基和氮化硅基陶瓷工具材料使用最广泛。氮化硅基陶瓷优于氧化铝基陶瓷。

(2)陶瓷工具的性能和特点

陶瓷工具的性能特点如下:

  • 高硬度和良好的耐磨性:尽管陶瓷工具的硬度不及PCD和PCBN,但仍比硬质合金和高速钢工具高,达到93-95HRA。陶瓷工具可以加工难以用传统工具加工的高硬度材料,适用于高速切削和硬切削。
  • 耐高温和耐热性:陶瓷工具仍可在1200°C以上的温度下切割。陶瓷工具具有非常好的高温机械性能。 Al2O3陶瓷工具具有出色的抗氧化性,即使在炽热状态下,切削刃也可以连续使用。因此,陶瓷工具可以实现干切削,而无需切削液。
  • 良好的化学稳定性:陶瓷工具不易与金属结合,并具有良好的耐腐蚀性和化学稳定性,可减少工具的结合磨损。
  • 低摩擦系数:陶瓷工具与金属的亲和力低,摩擦系数低,可降低切削力和切削温度。

(3)陶瓷刀的应用

陶瓷是主要用于高速精加工和半精加工的工具材料之一。陶瓷切割机适用于切割各种铸铁(灰色铸铁,球墨铸铁,可锻铸铁,冷硬铸铁,高合金耐磨铸铁)和钢(碳素结构钢,合金结构钢,高强度钢,高强度钢)。锰钢,淬火钢)。等)也可用于切割铜合金,石墨,工程塑料和复合材料。

陶瓷工具材料的性能具有较低的弯曲强度和较差的冲击韧性,不适用于低速和冲击载荷下的切削。

 涂层工具材料

涂覆工具是提高工具性能的重要方法之一。涂层刀具的出现在刀具切削性能方面取得了重大突破。涂覆的工具涂覆在一层或多层具有良好耐磨性的高电阻耐火化合物上。它结合了刀具底座和硬涂层,从而大大提高了刀具性能。带涂层的刀具可以提高加工效率,提高加工精度,延长刀具寿命并降低加工成本。

新型数控机床中使用的约80%切削刀具使用涂层刀具。涂层刀具将成为未来CNC加工领域最重要的工具。

(1)涂装工具的种类

根据涂覆方法的不同,涂覆工具可分为化学气相沉积(CVD)涂覆工具和物理气相沉积(PVD)涂覆工具。涂层硬质合金刀具通常是化学气相沉积工艺,沉积温度约为1000°C。涂层高速钢工具一般采用物理气相沉积法,沉积温度约为500℃;

根据涂层工具的材料,涂层工具可分为碳化物涂层工具,高速钢涂层工具以及陶瓷和超硬材料(金刚石和立方氮化硼)上的涂层工具。

根据涂层材料的性质,涂层工具可分为两大类,即“硬”涂层工具和“软”涂层工具。 “硬”涂层工具追求的主要目标是高硬度和耐磨性。性别,其主要优点是高硬度和良好的耐磨性,通常是TiC和TiN涂层。 “软”涂层工具的目标是低摩擦系数,也称为自润滑工具,可摩擦工件材料。该系数非常低,只有0.1左右,可以减少粘结,减少摩擦,降低切削力和切削温度。

最近开发了纳米化工具。该涂层工具可用于涂层材料的不同组合(例如金属/金属,金属/陶瓷,陶瓷/陶瓷等),以满足不同的功能和性能要求。精心设计的纳米涂层使工具材料具有出色的抗磨和抗磨性能,适用于高速干切削。

(2)涂装工具的特性

涂层工具的性能特征如下:

  • 机械和切割性能:

该涂覆工具结合了基材和涂覆材料的优异性能,不仅保持了基材的良好韧性和高强度,而且具有高硬度,高耐磨性和低涂覆率。摩擦系数。因此,带涂层的刀具的切削速度是非带涂层的刀具的两倍以上,并可以提高进给速度。涂层工具的寿命也得到了改善。

  • 多功能性:

涂层工具具有广泛的多功能性和广泛的加工范围。涂层工具可以代替几种非涂层工具。

  • 涂层厚度:

刀具寿命将随着涂层厚度的增加而增加,但是当涂层厚度达到饱和时,刀具寿命将不再显着增加。当涂层太厚时,很可能会发生剥离。当涂层太薄时,耐磨性差。

  • 重新研磨:

涂布刀片的再生料较差,涂布设备复杂,工艺要求高,涂布时间长。

  • 涂层材料:

具有不同涂层材料的刀具具有不同的切削性能。例如,TiC涂层在低速切割时具有优势。 TiN适用于高速切削。

(3)涂装工具的应用

涂层刀具在CNC加工领域具有巨大的潜力,并且将成为将来CNC加工领域最重要的工具。涂层技术已应用于立铣刀,铰刀,钻头,复合孔加工工具,滚刀,齿轮成形刀,剃毛刀,成形拉刀和各种机夹可转位刀片,以满足高速切削操作。需要钢和铸铁,耐热合金和有色金属。

 硬质合金刀具材料

硬质合金刀具,尤其是可转位硬质合金刀具,是CNC加工刀具的主导产品。自1980年代以来,各种类型的整体式和可转位硬质合金刀具或刀片已被扩展到可切削硬质合金刀具。

(1)硬质合金刀具的类型

根据主要化学成分,硬质合金可分为碳化钨基硬质合金和碳(氮化钛)(TiC(N))基硬质合金。

碳化钨基硬质合金包括钨钴(YG),钨钴钛(YT)和稀有型碳化物(YW),每种都有优缺点。主要成分是碳化钨(WC)和碳化钛。 (TiC),碳化钽(TaC),碳化铌(NbC)等,常用的金属键合相为Co。

碳(氮)钛基硬质合金是一种以TiC为主要成分的硬质合金(其中一些与其他碳化物或氮化物一起添加),常用的金属结合相为Mo和Ni。

ISO(国际标准化组织)将切削硬质合金分为三类:

K类,包括Kl0〜K40,相当于中国的YG类(主要成分是WC.Co)。

P级,包括P01至P50,在中国相当于YT(主要成分为WC.TiC.Co)。

M级,包括M10至M40,在中国相当于YW(主要成分是WC-TiC-TaC(NbC)-Co)。

每个等级代表从高硬度到最大韧性的一系列合金,编号分别在01和50之间。

(2)硬质合金刀具的性能特点

硬质合金刀具的性能特点如下:

  • 高硬度:

硬质合金刀具是通过粉末冶金法由硬度高且熔点高的碳化物(称为硬质相)和金属粘结剂(称为键合相)制成的,硬度为89-93 HRA。它远高于高速钢。在5400C下,硬度仍可以达到82-87HRA,这与室温下高速钢的硬度(83-86HRA)相同。硬质合金的硬度值随碳化物的金属粘合剂相的性质,数量,粒度和含量而变化,并且通常随着粘合剂金属相的含量增加而降低。当粘合剂相的含量相同时,YT基合金的硬度高于YG基合金的硬度,并且添加有TaC(NbC)的合金具有较高的高温硬度。

  • 弯曲强度和韧性:

常用的硬质合金的抗弯强度在900-1500 MPa的范围内。金属键相含量越高,弯曲强度越高。当粘合剂的含量相同时,YG基(WC-Co)合金的强度高于YT基(WC-TiC-Co)合金,并且强度随着TiC含量的增加而降低。硬质合金是一种脆性材料,在室温下其冲击韧性仅为高速钢的1/30至1/8。

  • 常用硬质合金刀具的应用

YG合金主要用于加工铸铁,有色金属和非金属材料。当钴含量相同时,细晶粒硬质合金(例如YG3X,YG6X)比中等晶粒具有更高的硬度和耐磨性。适用于加工某些特殊的硬铸铁,奥氏体不锈钢,耐热合金,钛合金,硬青铜和耐磨绝缘材料。

YT基硬质合金的突出优点是:高硬度,良好的耐热性,高温下的高硬度和抗压强度,以及更高的耐YG性和更好的抗氧化性。因此,当要求刀具具有高的耐热性和耐磨性时,应选择TiC含量高的等级。 YT合金适用于加工诸如钢之类的塑料材料,但不适用于加工钛合金和硅铝合金。

YW合金具有YG和YT合金的性能,综合性能良好。它可用于加工钢材以及加工铸铁和有色金属。如果将这些合金适当地添加到钴含量中,则它们可以以高强度使用,并且可以用于粗加工和间断切削各种难以加工的材料。

 

通常,PCBN,陶瓷工具,涂层硬质合金和TiCN基硬质合金刀具适用于黑色金属(如钢)的CNC加工; PCD工具适用于有色金属材料,例如Al,Mg,Cu及其合金。非金属材料的加工。表3-3-2列出了一些适合于加工上述工具材料的工件材料。

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